CN111521638A - 一种适用于多类固态物质的含水率检测方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多类固态物质的含水率检测方法及其设备，将检测设备用于含水量检测方法中，本适用于多类固态物质的含水率检测设备包括具有微波加热腔的壳体本体及集成设置于壳体本体上的电源模块、微波发生模块、波导系统、红外热像系统、控制系统；本发明将微波加热技术与红外热像技术应用于公路水运工程的固态物料含水率检测，利用相同微波加热条件下，不同含水率的被测物料的温升不同的特性，间接测量含水率，具有检测高效、易于携带等众多优势。
Description
技术领域
本发明涉及含水量检测技术领域，具体涉及一种适用于多类固态物质的含水率检测方法及其设备。
背景技术
在公路水运工程中，试验检测作为工程建设质量的保障依据，是控制材料合格使用的重要防线。其中，物料的含水率作为试验检测的基础参数之一，可直接反应物料的品质。土壤、砂石、水泥等固态物料是公路水运工程中常见的材料，其含水率的大小会对整个工程建设及维护产生影响。
目前，关于含水率检测的研究较多，可分为直接测量法和间接测量法。针对固态物料含水率检测，公路水运工程建设中通常采用传统烘干称重等直接测量方法，测量时间较长，效率较低，设备便携性较差，不利于施工现场实时检测。为克服上述检测缺陷，可引入微波技术来提高检测效率。
微波是一种高频电磁波。在微波穿过固态物料时，物料内极性分子发生极化现象，随外加电磁场交变运动。由于大量极性分子相互摩擦，电磁能转化为热能，使物料各部分在同一时间获得热量而升温。利用相同微波加热条件下，不同含水率的被测物料的温升不同的特性，可间接测量出含水率大小，即相同微波加热条件下，物料含水率越高，温升越低；物料含水率越低，温升越大。
通常情况下，公路水运工程中固态物料为细粒土(如粉质土、粘质土)、特殊土(如黄土、膨胀土)、砂石(如天然砂、机制砂)、砾石、水泥、石灰和粉煤灰等，其含水率受堆积密度影响较大，同一物料的不同堆积部分的含水率存在差异，需进行多次取样，传统方案需对不同堆积部位的样本分别进行试验，极大地影响检测效率。为解决该问题，可利用微波技术对不同堆积部位的样本一次性加热，同时运用红外热像测温技术对被测样本进行温度检测，通过设备的检测和分析而得知检测温度并输出红外图像数据。
本发明以微波加热为基础以此达到更高准确程度的含水率检测，微波对物料加热具有无惰性，通入微波，物料即刻加热，断开通入微波，物料停止加热；另一方面，加热过程无需进行预加热，微波加热为介质加热范畴，单位体积物料吸收微波功率：P＝55.6fE2εr’tgδ×10-12，其中f为微波频率，E为电场强度，εr’和tg、δ分别为物料相对介电常数和损耗因子。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种适用于多类固态物质的含水率检测方法及其设备，能够充分利用微波加热与红外成像技术，能有效地提高检测效率，便于施工现场的实时检测。
本发明的一种适用于多类固态物质的含水率检测方法，包括以下步骤：
S1.获取待检测固态物质的样本并分别平整均匀地置于样本盛放格内；
S2.将S1的样本盛放格置于微波加热腔内对待检测固态物质的样本进行微波加热；
S3.通过红外热像系统对经微波加热后的待检测固态物质的样本进行温度检测及数据传递；
S4.控制系统接收来自红外热像系统的温度检测数据并处理分析，得出待检测固态物质的样本含水率值，其中：
a.所述控制系统以ARM微处理器为核心，内置不同初始温度条件下不同固态物料的含水率f与红外热像系统输出电压V参数模型，根据红外热像系统输出电压V与固态物料含水率f的关系，标定样本点，建立V与f的映射关系f(V)，测量含水率时，以V为索引，检索出对应的含水率值f；
b.所述控制系统以ARM微处理器为核心，内置固态物料加热终了温度T与红外热像系统输出电压V参数模型，根据红外热像系统输出电压V与固态物料加热终了温度T的关系，标定样本点，建立V与T的映射关系T(V)，检测加热终了温度时，以V为索引，检索出对应的加热终了温度T；
由a和b中的两套参数模型，计算出加热终了温度及含水率值之间的映射关系。
进一步，所述步骤S2包括：
a.由微波发生模块连续产生具有特定功率的微波；
b.波导系统对连续微波进行引导与约束，使连续微波进入到微波加热腔内；
c.进入到微波加热腔内的连续微波对待检测固态物质的样本进行微波加热。
进一步，所述红外热像系统包括光学系统、红外探测器及信号处理单元，光学系统用于接收待检测固态物质样本发出的红外辐射，并将信号传输至红外探测器，红外探测器用于对光学系统接收到的红外辐射信息进行整合分化处理形成红外光模拟信号并传递给信号处理单元；信号处理单元用于将红外探测器输出的红外光模拟信号经A/D转换成电压数字信号，并经调理后传输至步骤S4的控制系统。
本发明的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，包括具有微波加热腔的壳体本体及集成设置于壳体本体上的电源模块、微波发生模块、波导系统、红外热像系统、控制系统；
电源模块与其他各模块电连接并为各模块供电，所述电源模块为电压适配电路，用于完成各模块稳定工作；
微波发生模块与电源模块电连接并在电源模块的激励下连续产生具有特定功率的微波；
波导系统与微波发生模块相连用于对微波发生模块产生的连续微波进行引导和约束；
微波加热腔与波导系统相连，波导系统将连续微波引导至微波加热腔内，对放入微波加热腔内的固态物质样本定量加热；
红外热像系统，用于对加热后的固态物质样本进行温度检测；
控制系统与红外热像系统电信号连接，用于接收红外热像系统传输的数据并储存和处理，计算出固态物质样本的含水率。
进一步，还包括按键模块、数据传输模块与显示模块；
按键模块与控制系统连接，用于完成命令输入，且信号传递的方向为按键模块至控制系统单向传递；
数据传输模块与控制系统连接，用于实现控制系统的数据传输功能，数据传输模块与红外热像系统连接，辅助控制系统对于采集数据的传输完成红外图像分析；
显示模块与控制系统连接，用于检测结果的数据显示，且信号的传递方向为控制系统至显示模块单向传递；
按键模块、数据传输模块及显示模块均与电源模块电连接并由电源模块供电，按键模块包括开关按钮、复位按钮、模式切换按钮及数据存储按钮，用于实现设备的人机交互功能。
进一步，所述微波发生模块包括磁控管、高压变压器、高压电容、高压二极管、散热片及安装板，用于连续产生具有特定功率的微波能量，其工作频率为2450MHz。
进一步，所述波导系统包括至少一个矩形波导，作为微波发生模块与微波加热腔之间的连接部件，用于将磁控管产生的微波连续不断地传输至微波加热腔中。所述矩形波导为BJ-22型标准波导，截面尺寸为109.2mm×54.6mm，材质为不锈钢，内壁光滑。
进一步，所述红外热像系统包括光学系统、红外探测器及信号处理单元，光学系统用于接收待检测固态物质样本发出的红外辐射，并将信号传输至红外探测器，红外探测器用于对光学系统接收到的红外辐射信息进行整合分化处理形成红外光模拟信号并传递给信号处理单元；信号处理单元用于将红外探测器输出的红外光模拟信号经A/D转换成电压数字信号，并经调理后传输至控制系统。
进一步，所述微波加热腔为矩形多模谐振腔，用于完成被测物料样本的定量加热，腔体采用不锈钢钢板焊接而成，尺寸为300mm×450mm×400mm。所述微波加热腔内设置多个样本盛放格，高度尺寸为10mm。其腔壁上设置有矩形波导安装开口及红外热像系统探测器安装开口，本发明中采用两个矩形波导安装开口，红外热像系统探测器安装开口设置于两个矩形波导安装开口之间。
进一步，所述壳体本体具有可开合的箱门，所述箱门上设置有观察窗，便于观察固态物质样本的受热情况，所述壳体本体的外壳上还设置有液晶显示屏、开关按钮、复位按钮、模式切换按钮及数据存储按钮，液晶显示屏作为显示模块用于显示检测结果，开关按钮、复位按钮、模式切换按钮及数据存储按钮作为按键模块用于实现设备的人机交换。
本发明的有益效果在于：1.本设备将微波加热技术与红外热像技术应用于公路水运工程的固态物料含水率检测，利用相同微波加热条件下，不同含水率的被测物料的温升不同的特性，间接测量含水率，具有检测高效、易于携带等众多优势；
2.本设备的控制系统内置不同初始温度下不同固态物料的含水率参数模型，可提高检测效率，有效地运用于工程建设与管理；
3.本设备可用于一次性检测同种固态物料不同堆积部位的含水率，提高了检测效率；
4.本设备操作简单，占用空间小，便于携带，适用于施工现场实时取样检测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备流程图；
图2为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备的红外热像系统流程图；
图3为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备的微波加热腔示意图；
图4为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备的外观结构图。
具体实施方式
图1为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备流程图，图2为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备的红外热像系统流程图，图3为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备的微波加热腔示意图，图4为一种适用于多类固态物质的含水率检测设备的外观结构图，如图所示，本实施例中的本发明的一种适用于多类固态物质的含水率检测方法，包括以下步骤：
S1.获取待检测固态物质的样本并分别平整均匀地置于样本盛放格9内；
S2.将S1的样本盛放格9置于微波加热腔内对待检测固态物质的样本进行微波加热；
S3.通过红外热像系统对经微波加热后的待检测固态物质的样本进行温度检测及数据传递；
S4.控制系统接收来自红外热像系统的温度检测数据并处理分析，得出待检测固态物质的样本含水率值，其中：
a.所述控制系统以ARM微处理器为核心，内置不同初始温度条件下不同固态物料的含水率f与红外热像系统输出电压V参数模型，根据红外热像系统输出电压V与固态物料含水率f的关系，标定样本点，建立V与f的映射关系f(V)，测量含水率时，以V为索引，检索出对应的含水率值f；
b.所述控制系统以ARM微处理器为核心，内置固态物料加热终了温度T与红外热像系统输出电压V参数模型，根据红外热像系统输出电压V与固态物料加热终了温度T的关系，标定样本点，建立V与T的映射关系T(V)，检测加热终了温度时，以V为索引，检索出对应的加热终了温度T；
由a和b中的两套参数模型，计算出加热终了温度及含水率值之间的映射关系。
本实施例中，所述步骤S2包括：
a.由微波发生模块连续产生具有特定功率的微波；
b.波导系统对连续微波进行引导与约束，使连续微波进入到微波加热腔内；
c.进入到微波加热腔内的连续微波对待检测固态物质的样本进行微波加热。
本实施例中，所述红外热像系统包括光学系统、红外探测器及信号处理单元，光学系统用于接收待检测固态物质样本发出的红外辐射，并将信号传输至红外探测器，红外探测器用于对光学系统接收到的红外辐射信息进行整合分化处理形成红外光模拟信号并传递给信号处理单元；信号处理单元用于将红外探测器输出的红外光模拟信号经A/D转换成电压数字信号，并经调理后传输至步骤S4的控制系统。
本发明的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，包括具有微波加热腔的壳体本体10及集成设置于壳体本体10上的电源模块、微波发生模块、波导系统、红外热像系统、控制系统；
电源模块与其他各模块电连接并为各模块供电，所述电源模块为电压适配电路，用于完成各模块稳定工作；
微波发生模块与电源模块电连接并在电源模块的激励下连续产生具有特定功率的微波；
波导系统与微波发生模块相连用于对微波发生模块产生的连续微波进行引导和约束；
微波加热腔与波导系统相连，波导系统将连续微波引导至微波加热腔内，对放入微波加热腔内的固态物质样本定量加热；
红外热像系统，用于对加热后的固态物质样本进行温度检测；
控制系统与红外热像系统电信号连接，用于接收红外热像系统传输的数据并储存和处理，计算出固态物质样本的含水率。
本实施例中，还包括按键模块、数据传输模块与显示模块；
按键模块与控制系统连接，用于完成命令输入，且信号传递的方向为按键模块至控制系统单向传递；
数据传输模块与控制系统连接，用于实现控制系统的数据传输功能，数据传输模块与红外热像系统连接，辅助控制系统对于采集数据的传输完成红外图像分析；
显示模块与控制系统连接，用于检测结果的数据显示，且信号的传递方向为控制系统至显示模块单向传递；
按键模块、数据传输模块及显示模块均与电源模块电连接并由电源模块供电，按键模块包括开关按钮2、复位按钮3、模式切换按钮4及数据存储按钮5，用于实现设备的人机交互功能。
本实施例中，所述微波发生模块包括磁控管、高压变压器、高压电容、高压二极管、散热片及安装板，用于连续产生具有特定功率的微波能量，其工作频率为2450MHz。
本实施例中，所述波导系统包括至少一个矩形波导，作为微波发生模块与微波加热腔之间的连接部件，用于将磁控管产生的微波连续不断地传输至微波加热腔中。所述矩形波导为BJ-22型标准波导，截面尺寸为109.2mm×54.6mm，材质为不锈钢，内壁光滑。
本实施例中，所述红外热像系统包括光学系统、红外探测器及信号处理单元，光学系统用于接收待检测固态物质样本发出的红外辐射，并将信号传输至红外探测器，红外探测器用于对光学系统接收到的红外辐射信息进行整合分化处理形成红外光模拟信号并传递给信号处理单元；信号处理单元用于将红外探测器输出的红外光模拟信号经A/D转换成电压数字信号，并经调理后传输至控制系统。
本实施例中，所述微波加热腔为矩形多模谐振腔，用于完成被测物料样本的定量加热，腔体采用不锈钢钢板焊接而成，尺寸为300mm×450mm×400mm。所述微波加热腔内设置多个样本盛放格9，高度尺寸为10mm。其腔壁上设置有矩形波导安装开口a及红外热像系统探测器安装开口b，本发明中采用两个矩形波导安装开口a，红外热像系统探测器安装开口b设置于两个矩形波导安装开口a之间，为增加视场角度，建立如图3所述的空间坐标系以展示红外热像系统探测器安装开口b与矩形波导安装开口a的设置位置，两矩形波导安装开口a的中心坐标分别为(150,125,400)，(150,325,400)；红外热像系统探测器安装开口b的中心坐标为(150,225,400)。
本实施例中，所述壳体本体10具有可开合的箱门8，壳体本体10底部设置有支撑壳体本体10的支脚6，所述箱门8上设置有观察窗7，便于观察固态物质样本的受热情况，所述壳体本体10的外壳上还设置有液晶显示屏1、开关按钮2、复位按钮3、模式切换按钮4及数据存储按钮5，液晶显示屏1作为显示模块用于显示检测结果，开关按钮2、复位按钮3、模式切换按钮4及数据存储按钮5作为按键模块用于实现设备的人机交换。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种适用于多类固态物质的含水率检测方法，其特征在于：所述含水率检测方法包括以下步骤：
S1.获取待检测固态物质的样本并分别平整均匀地置于样本盛放格内；
S2.将S1的样本盛放格置于微波加热腔内对待检测固态物质的样本进行微波加热；
S3.通过红外热像系统对经微波加热后的待检测固态物质的样本进行温度检测及数据传递；
S4.控制系统接收来自红外热像系统的温度检测数据并处理分析，得出待检测固态物质的样本含水率值，其中：
a.所述控制系统以ARM微处理器为核心，内置不同初始温度条件下不同固态物料的含水率f与红外热像系统输出电压V参数模型，根据红外热像系统输出电压V与固态物料含水率f的关系，标定样本点，建立V与f的映射关系f(V)，测量含水率时，以V为索引，检索出对应的含水率值f；
b.所述控制系统以ARM微处理器为核心，内置固态物料加热终了温度T与红外热像系统输出电压V参数模型，根据红外热像系统输出电压V与固态物料加热终了温度T的关系，标定样本点，建立V与T的映射关系T(V)，检测加热终了温度时，以V为索引，检索出对应的加热终了温度T；
由a和b中的两套参数模型，计算出加热终了温度及含水率值之间的映射关系。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
a.由微波发生模块连续产生具有特定功率的微波；
b.波导系统对连续微波进行引导与约束，使连续微波进入到微波加热腔内；
c.进入到微波加热腔内的连续微波对待检测固态物质的样本进行微波加热。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测方法，其特征在于：所述红外热像系统包括光学系统、红外探测器及信号处理单元，光学系统用于接收待检测固态物质样本发出的红外辐射，并将信号传输至红外探测器，红外探测器用于对光学系统接收到的红外辐射信息进行整合分化处理形成红外光模拟信号并传递给信号处理单元；信号处理单元用于将红外探测器输出的红外光模拟信号经A/D转换成电压数字信号，并经调理后传输至步骤S4的控制系统。
4.一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，其特征在于：包括具有微波加热腔的壳体本体及集成设置于壳体本体上的电源模块、微波发生模块、波导系统、红外热像系统、控制系统；
电源模块与其他各模块电连接并为各模块供电；
微波发生模块与电源模块电连接并在电源模块的激励下连续产生具有特定功率的微波；
波导系统与微波发生模块相连用于对微波发生模块产生的连续微波进行引导和约束；
微波加热腔与波导系统相连，波导系统将连续微波引导至微波加热腔内，对放入微波加热腔内的固态物质样本定量加热；
红外热像系统，用于对加热后的固态物质样本进行温度检测；
控制系统与红外热像系统电信号连接，用于接收红外热像系统传输的数据并储存和处理，计算出固态物质样本的含水率。
5.根据权利要求4所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，其特征在于：还包括按键模块、数据传输模块与显示模块；
按键模块与控制系统连接，用于完成命令输入，且信号传递的方向为按键模块至控制系统单向传递；
数据传输模块与控制系统连接，用于实现控制系统的数据传输功能；
显示模块与控制系统连接，用于数据显示，且信号的传递方向为控制系统至显示模块单向传递；
按键模块、数据传输模块及显示模块均与电源模块电连接并由电源模块供电。
6.根据权利要求5所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，其特征在于：所述微波发生模块包括磁控管、高压变压器、高压电容、高压二极管、散热片及安装板，用于连续产生具有特定功率的微波能量，其工作频率为2450MHz。
7.根据权利要求6所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，其特征在于：所述波导系统包括至少一个矩形波导，作为微波发生模块与微波加热腔之间的连接部件，用于将磁控管产生的微波连续不断地传输至微波加热腔中。
8.根据权利要求7所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，其特征在于：所述红外热像系统包括光学系统、红外探测器及信号处理单元，光学系统用于接收待检测固态物质样本发出的红外辐射，并将信号传输至红外探测器，红外探测器用于对光学系统接收到的红外辐射信息进行整合分化处理形成红外光模拟信号并传递给信号处理单元；信号处理单元用于将红外探测器输出的红外光模拟信号经A/D转换成电压数字信号，并经调理后传输至控制系统。
9.根据权利要求8所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，其特征在于：所述微波加热腔为矩形多模谐振腔，用于完成被测物料样本的定量加热，所述微波加热腔内设置多个样本盛放格，且腔壁上设置有矩形波导安装开口及红外热像系统探测器安装开口。
10.根据权利要求9所述的一种适用于多类固态物质的含水率检测设备，其特征在于：所述壳体本体具有可开合的箱门，所述箱门上设置有观察窗，所述壳体本体的外壳上还设置有液晶显示屏、开关按钮、复位按钮、模式切换按钮及数据存储按钮。
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